冉銀龍

（四川九洲空管科技有限責任公司，四川 綿陽 621000）

0 引言

多普勒甚高頻全向信標根據(jù)其安裝位置可分為航路DVOR和終端DVOR，是一種工作在甚高頻波段，為裝有相應(yīng)設(shè)備的航空器提供其相對于該地面設(shè)備磁方位信息的導(dǎo)航設(shè)備[1-2]，使飛行員操縱飛機沿預(yù)選的航路飛行或進場著陸。我國導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的戰(zhàn)略目標中明確提出了繼續(xù)完善發(fā)展陸基導(dǎo)航系統(tǒng)，提供保證安全和交通流量所需的基礎(chǔ)導(dǎo)航設(shè)施設(shè)備，并具備相應(yīng)的冗余能力和備份能力，實現(xiàn)陸基導(dǎo)航系統(tǒng)和星基導(dǎo)航系統(tǒng)并存發(fā)展的雙軌導(dǎo)航體制和技術(shù)政策。

1 多普勒甚高頻全向信標的功能及工作原理

1.1 多普勒甚高頻全向信標的功能

多普勒甚高頻全向信標是利用多普勒效應(yīng)原理研制的一種全向信標系統(tǒng)，其基本功能是為機載VOR接收機提供一個復(fù)雜的無線電信號（含30Hz基準相位信號和30Hz可變信號相位），經(jīng)機載VOR接收機解調(diào)后，測試出地面甚高頻全向信標臺相對于飛機的VOR方向（以飛機所在位置磁北方位為基準，順時針方向轉(zhuǎn)至飛機與地面VOR信標臺之間連線的夾角）[3]。飛行員在獲得VOR方向后就可以根據(jù)此方向與預(yù)設(shè)的飛行方向進行對比和修正，從而保證飛機按照正確的飛行路線進行飛行或者降落。

1.2 多普勒甚高頻全向信標的工作原理

多普勒效應(yīng)是由于某種輻射源，如聲源、光源或其他波源等的運動，或者觀察者的運動，使觀察者所接收到的聲頻、光頻或其他波的頻率發(fā)生改變的一種現(xiàn)象[4]。其實質(zhì)就是輻射振蕩源與接收點之間存在有相對運動時，從而導(dǎo)致接收設(shè)備接收到的振蕩信號頻率與輻射源發(fā)射的振蕩信號頻率發(fā)生偏差：接收設(shè)備向輻射源做相向運動時，接收到的頻率大于振蕩信號的發(fā)射頻率，背向運動時接收到的頻率小于振蕩信號的發(fā)射頻率，這兩者之間的差值被稱為多普勒頻率或多普勒頻移。多普勒甚高頻全向信標是利用多普勒效應(yīng)的原理，通過載波天線與邊帶天線分別發(fā)射基準相位信號和可變相位信號，機載VOR設(shè)備在接收到兩個相位信號后進行相位比較求其差值，該差值即為飛機在磁北方向與多普勒甚高頻全向信標臺之間的夾角。

2 多普勒甚高頻全向信標總體架構(gòu)

以目前國內(nèi)民航機場大量安裝的AWA公司生產(chǎn)的VRB-51D型DVOR來討論多普勒甚高頻全向信標總體架構(gòu)，根據(jù)AWA公司的技術(shù)資料，VRB-51D型DVOR由VRB-51D（1A71111）發(fā)射機柜和一套天線系統(tǒng)[5]構(gòu)成。

天線系統(tǒng)由天線分配開關(guān)和49個阿爾福特（Alford）環(huán)形天線組成，其中48個天線安裝在地網(wǎng)上面，直徑為13.5m的圓周上，稱之為邊帶天線，1個安裝在圓中心，稱之為載波天線。此外，還有1個八木監(jiān)控天線安裝在距離載波天線60-200m之間的位置。

單機構(gòu)成的VRB-51D發(fā)射機柜由多種監(jiān)視器、控制/遙控組件、多種信號生成器、放大組件及電源組件等共計21個模塊/組件安裝在6個框架中，當雙機備份時由兩個VRB-51D發(fā)射機柜和1個1A71697型繼電器單元組成（共計47個模塊/組件）[6]。VRB-51D發(fā)射機柜組成框圖如圖1所示。

圖1 VRB-51D發(fā)射機柜組成框圖Fig. 1 Composition block diagram of VRB-51D transmitter cabinet

3 多普勒甚高頻全向信標的數(shù)字化設(shè)計

3.1 數(shù)字化設(shè)計的方法

根據(jù)DVOR的技術(shù)指標要求、工作原理，參考VRB-51D型DVOR發(fā)射機柜中共21個模塊/組件的功能及其實現(xiàn)方法，可將其中大部分模塊進行數(shù)字設(shè)計，合并為電源組件、監(jiān)控器模塊、信號激勵源模塊、邊帶放大器模塊、載波功率放大器模塊、射頻切換單元、控制單元等共7種模塊/組件（雙機備份時為14個模塊/組件）。且在進行數(shù)字設(shè)計后，模塊的體積大大較小，因此在模塊合并和小型化后將雙機備份狀態(tài)安裝在1個機柜中，從而極大的較少了模塊/組件數(shù)量，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、維護性，方便系統(tǒng)的安裝和維護。

在合并后的模塊/組件中電源組件、邊帶放大器模塊、載波功率放大器模塊分別為電源轉(zhuǎn)換和發(fā)射功率放大模塊，其中大部分器件仍然為模擬器器件，數(shù)字小型化設(shè)計對體積的改變較小，因此多普勒甚高頻全向信標的數(shù)字化設(shè)計主要體現(xiàn)在監(jiān)控器模塊、信號激勵源模塊和射頻切換單元模塊。

3.2 監(jiān)控器模塊的數(shù)字化設(shè)計

監(jiān)控器模塊主要完成與控制單元之間的通信及空間合成信號的接收、解析和判斷。其數(shù)字化設(shè)計方式為：（1）模塊內(nèi)部的ARM通過SPI總線與控制單元進行通信，獲取系統(tǒng)控制指令和工作參數(shù)，同時根據(jù)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷設(shè)備是否正常工作；（2）FPGA內(nèi)部的控制命令和參數(shù)下傳功能模塊完成向信號激勵單元模塊和射頻切換單元模塊的傳遞；（3）FPGA內(nèi)部的天線轉(zhuǎn)換單元時序功能塊完成邊帶天線控制時序的產(chǎn)生并發(fā)送給射頻切換單元模塊；（4）FPGA內(nèi)部的監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)模塊完成對空間合成信號的接收和解析，并將解析后的數(shù)據(jù)上報到本地控制單元；（5）FPGA內(nèi)部的告警指示模塊根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)模塊解析的數(shù)據(jù)完成對告警指示燈的控制。通過ARM加FPGA及其外圍電路的方式，利用其強大的通訊能力和控制能力、邏輯控制能力及數(shù)字處理能力，將VRB-51D型DVOR中的4種監(jiān)控器和1個控制單元合并為1個模塊/組件，極大的減少了組件數(shù)量。監(jiān)控器功能原理框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控器功能原理框圖Fig.2 Block diagram of monitor function principle

3.3 信號激勵單元的數(shù)字化設(shè)計

信號激勵單元的主要功能是完成1路載波信號和4路邊帶信號的產(chǎn)生。其數(shù)字化設(shè)計的方式為：采用射頻數(shù)字化調(diào)制方案，由射頻信號生成、模擬處理、數(shù)據(jù)處理、時鐘電路、故障檢測、電源轉(zhuǎn)換等功能電路組成。（1）射頻信號生成電路主要由頻率綜合器件組成，完成5路調(diào)制信號的幅度、頻率、相位產(chǎn)生及調(diào)整控制；模擬處理單元完成對射頻信號的開關(guān)切換、濾波、放大。（2）數(shù)據(jù)處理單元在FPGA中以軟件方式實現(xiàn)，由Data_Conv、DDS、CSB、USB/LSB 模塊組合實現(xiàn)。（3）時鐘電路由時鐘生成器AD9516[7]和ADCLK846[8]組成，生成電路中各路頻綜的參考時鐘900MHz，和FPGA參考時鐘80MHz。（4）故障檢測電路功能主要包括激勵源調(diào)制通道故障、電源、頻率檢測，并將故障狀態(tài)信息進行上報。（5）電源轉(zhuǎn)換電路由DC/DC轉(zhuǎn)換單元（LTM4644）、LDO 濾波單元[9]（LP38798、ADP1741）組成，將系統(tǒng)電源分機提供+12V電壓，經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換后，輸出+5.5V、+3.6V、+2.2V、+1.0V 等電壓；其中+5.5V、+3.6V、+2.2V經(jīng)LDO濾波輸出具有高電源紋波抑制比（PSRR）的+5V、+3.3V與+1.8V，作為信號激勵源中模擬電路的低紋波電源供電。通過頻率綜合器件、FPGA及時鐘生成器等數(shù)字器件，在1個模塊中可以完成VRB-51D型DVOR中5種信號產(chǎn)生器及3種調(diào)制、驅(qū)動和保護組件。信號激勵單元的功能原理框圖如圖3所示。

圖3 信號激勵單元功能原理框圖Fig. 3 Schematic diagram of functional principle of signal excitation unit

3.4 射頻切換單元的數(shù)字化設(shè)計

射頻切換單元模塊的主要功能為主備機射頻切換、通道檢測及發(fā)射信號有線閉環(huán)檢測。因此射頻切換單元的數(shù)字化設(shè)計主要體現(xiàn)在監(jiān)控檢測和發(fā)射信號有線閉環(huán)檢測兩個方面，其實現(xiàn)方式為：1）通道檢測功能：定向耦合器輸出的反向耦合信號經(jīng)功率衰減、AD采樣后送FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)采樣數(shù)據(jù)完成信號幅度的判斷，并幅度大小完成通道檢測功能；2）發(fā)射信號有線閉環(huán)檢測功能：由定向耦合器輸出的正向耦合信號經(jīng)功率衰減、AD采樣后送FPGA，由FPGA內(nèi)部的DDS模塊完成數(shù)字解調(diào)及運算后得到信號的功率、頻率、相位[10]，由SPI總線將信號的參數(shù)回傳至信號激勵單元，實現(xiàn)發(fā)射功能的閉環(huán)校準。射頻切換單元的功能原理框圖如圖4所示。

圖4 射頻切換單元功能原理框圖Fig. 4 RF switching unit functional schematic diagram

4 結(jié)論

本文通過對照AWA公司生產(chǎn)的VRB-51D型DVOR的功能組件構(gòu)成，通過數(shù)字設(shè)計，將其由21種模塊/組件合并為7種模塊/組件，并詳細闡述了監(jiān)控器、信號激勵單元和射頻切換單元的數(shù)字化設(shè)計和實現(xiàn)方式，極大的減少了模塊/組件數(shù)量，增加了整機的穩(wěn)定性、可靠性、維護性，方便系統(tǒng)的安裝和維護，對多普勒甚高頻全向信標的數(shù)字化設(shè)計、研制工作具有積極意義。